通过氩离子注入调整AlN薄膜的光学特性：位移损伤与亚带隙吸收之间的关联

《Radiation Physics and Chemistry》：Tailoring optical properties of AlN films through argon ion implantation: Correlation between displacement damage and sub-bandgap absorption

　　

杨青云|王婷婷|赫勒·R.|万黎明|肯奇·U.|田明阳|唐明军|李玲|周胜强|袁叶|刘凯|王茂

四川省四川师范大学微纳光电材料与器件重点实验室，中国成都610101

摘要

氮化铝（AlN）是一种具有广阔带隙的半导体，适用于抗辐射光电器件。离子注入为缺陷工程和性能改性提供了一种可控的方法。在本研究中，我们采用Ar⁺离子注入作为精确的表面改性技术，对AlN薄膜的结构和光学性能进行了研究，注入剂量范围为10¹³至10¹⁶ cm^-2。通过结合卢瑟福背散射光谱（RBS）、高分辨率X射线衍射（HRXRD）、拉曼光谱和光谱椭圆偏振法的多尺度表征，揭示了损伤的逐步演变过程。离子注入产生的缺陷引入了亚带隙吸收特征，同时保持了约6.2 eV的基本带隙。这些缺陷还系统地改变了介电函数，包括其在可见光区域的虚部随缺陷浓度增加而增强，这一点通过第一性原理计算得到了证实。注入后的退火部分恢复了晶态，但高剂量下的损伤是不可逆的。这些发现建立了离子束产生的缺陷与功能性能变化之间的直接关联，为在辐射环境中工作的基于AlN的光电组件提供了设计指导。

章节摘录

引言

氮化铝（AlN）是一种技术上重要的非氧化物陶瓷，具有宽带隙（约6.2 eV）、高导热性、优异的化学惰性和优良的介电性能[1]、[2]、[3]。这些特性使得AlN薄膜在先进应用中非常受欢迎，包括深紫外（DUV）光电、高温传感器、表面声波（SAW）器件以及适用于恶劣环境的抗辐射电子器件[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。此外，

实验细节

本研究中使用的AlN薄膜厚度为500 nm，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法在蓝宝石（Al₂O₃）基底上生长。然后，这些薄膜在250 keV的条件下接受了七种不同剂量的Ar⁺辐照（见图1）。为了便于描述，这七个辐照样品分别编号为AlN - Ar 1、AlN - Ar 2，依此类推，直到AlN - Ar 7（如表1所示）。退火实验在N₂气氛中进行。

模拟缺陷积累

图1(a)和1(b)分别展示了在不同Ar⁺剂量下，离子浓度分布和相应缺陷分布的SRIM模拟结果。模拟表明，辐射诱导的缺陷在样品表面下方的250 nm范围内相对均匀分布。为了定量评估不同辐照条件下的损伤程度，根据已建立的方法计算了每个原子的位移（dpa）[18]，

理论模型

本文使用的模型是六方纤锌矿结构的AlN，空间群为P63mc。图9(a)显示了AlN的原始单元格，包含两个化学计量单位。图9(b)和(c)分别表示含有铝空位（V_Al）和氮空位（V_N）的超胞。图9(d)-(f)展示了AlV浓度分别为1/36、1/12和1/6的超胞，对应于低（2.78%）、中（8.33%）和高（16.67%）的缺陷浓度。在纤锌矿结构中，每个铝原子（蓝色）

讨论

经Ar⁺辐照的AlN表现出剂量依赖的结构无序演变。RBS/通道分析显示，相对晶格无序随着离子剂量的增加而增加，达到随机水平的75%，表明存在动态的缺陷平衡，其中点缺陷在沉降处（例如表面或界面）的迁移和湮灭变得显著。拉曼光谱显示E₂(high)声子模式的频率逐渐降低，表明产生了拉伸应力，

结论

本研究展示了AlN薄膜在5.5 × 10¹³至5.5 × 10¹⁶ cm^-2（相当于dpa ≈ 0.06-60）的广泛剂量范围内经Ar⁺注入后的结构和光学性能演变。结合RBS、拉曼光谱和SE的多尺度表征显示，在低剂量（< 10¹⁵ cm^-2）下，孤立点缺陷主导晶格无序；在中等剂量（10¹⁵-10¹⁶ cm^-2）下，缺陷聚集同时伴随着

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

CRediT作者贡献声明

唐明军：方法论，数据管理。李玲：资源，形式分析。周胜强：概念构思。袁叶：方法论，数据管理。赫勒·Rene：资源。万黎明：研究，形式分析。肯奇·U.资源。田明阳：方法论，形式分析。刘凯：监督，资源，研究，形式分析。王茂：撰写 – 审稿与编辑，监督，研究，概念构思。杨青云：撰写 – 初稿，方法论，

数据可用性声明

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金（NSFC）（项目编号12575311和12205212）和四川省自然科学基金（NSFSC）（项目编号24NSFSC1355）的资助。Y.Y.感谢广东省重点领域研究与发展计划（2019B121204004）和国家自然科学基金的支持